以基因科技解讀生命之書

曹虎

每個(gè)人的生命歷程是一本書，其中的奧秘“基因”牽引著我們的分分秒秒——快樂、舒暢、悲傷和痛苦。何謂基因工程？基因工程是一種創(chuàng)新的生物技術(shù)，是將外源基因通過體外重組后導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)，使此基因能在受體細(xì)胞內(nèi)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯表達(dá)的操作?；蚬こ碳夹g(shù)自出現(xiàn)至今已有40多年，它同細(xì)胞培養(yǎng)、酶工程、蛋白質(zhì)工程和微生物工程共同組成了生物工程。蓋一座大樓，要經(jīng)過設(shè)計(jì)、工程計(jì)算、備料、施工、驗(yàn)收、交付等程序，基因技術(shù)的操作與之相類似?；蚬こ套詥柺酪詠?，已在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等方面有不俗的表現(xiàn)，開始是褒聲一片，但近十幾年反對(duì)之聲卻不絕于耳。不管怎樣，作為一種解決人類生存與發(fā)展難題的新技術(shù)，基因工程技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展勢(shì)不可擋。

定格在1972年

基因工程是在分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)綜合發(fā)展的基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)70年代誕生的一門嶄新的生物技術(shù)科學(xué)。1972年，美國(guó)國(guó)立癌癥研究所的科學(xué)家，首開基因治癌實(shí)驗(yàn)，取得初步的成功，1972年因此成為遺傳工程（基因工程）的元年。迄今為止，基因工程已在從細(xì)菌到家畜的所有非人類生物體上做了實(shí)驗(yàn)，并取得了成功。事實(shí)上，所有用于治療糖尿病的胰島素都來自一種細(xì)菌，其DNA中植入了人類可產(chǎn)生胰島素的基因，細(xì)菌便可自行復(fù)制，大量產(chǎn)生胰島素?；蚬こ碳夹g(shù)使得許多植物具有了抗病蟲害和抗除草劑的能力，在美國(guó)，大約有1/2的大豆和1/4的玉米都是轉(zhuǎn)基因的。

隨著DNA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和遺傳機(jī)制的秘密呈現(xiàn)在人們眼前，特別是當(dāng)人們了解到遺傳密碼是由 RNA轉(zhuǎn)錄表達(dá)的以后，生物學(xué)家開始躍躍欲試，設(shè)想在分子的水平上去干預(yù)生物的遺傳特性。如果將一種生物的 DNA中的某個(gè)遺傳密碼片斷連接到另外一種生物的DNA鏈上去，將DNA重新組織一下，就可以按照人類的愿望，設(shè)計(jì)出新的遺傳物質(zhì)并創(chuàng)造出新的生物類型，這與過去培育生物繁殖后代的傳統(tǒng)做法完全不同。這種做法就像技術(shù)科學(xué)的工程設(shè)計(jì)那樣，按照人類的需要把這種生物的這個(gè)“基因”與那種生物的那個(gè)“基因”重新“施工”，“組裝”成新的基因組合，創(chuàng)造出新的生物。這個(gè)過程首先要選擇目標(biāo)基因的運(yùn)載工具，如質(zhì)粒、病毒等，然后用同一種限制酶分別切割運(yùn)載體和目標(biāo)基因，使它產(chǎn)生相同的黏性末端，再加入適量的DNA連接酶，在生物體外將目標(biāo)基因的DNA與運(yùn)載體的DNA結(jié)合起來，形成重組DNA（或重組質(zhì)粒）。將重組的DNA雜合分子，借用細(xì)菌或病毒侵染細(xì)胞的途徑，轉(zhuǎn)移到選定的生物體細(xì)胞中，使重組的DNA在受體細(xì)胞中復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯而得以表達(dá)。這種用工程學(xué)方法改造生物的過程，省時(shí)省工，勝過所有傳統(tǒng)的方法。

基因工程的基礎(chǔ)研究從1866年奧地利遺傳學(xué)家孟德爾，根據(jù)豌豆雜交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物的遺傳基因規(guī)律，提出遺傳因子概念就已開始。30多年后，英國(guó)生物學(xué)家貝特森，通過植物雜交實(shí)驗(yàn)，重現(xiàn)了孟德爾定律，引起了科學(xué)界的普遍關(guān)注。1909年，丹麥植物學(xué)家和遺傳學(xué)家約翰遜首次提出用“基因”表達(dá)孟德爾的遺傳因子概念。 1944年，有 3位美國(guó)科學(xué)家分離出細(xì)菌的DNA（脫氧核糖核酸），并發(fā)現(xiàn)DNA是攜帶生命遺傳物質(zhì)的分子。1945年，眾多科學(xué)家參與基因研究，知道了基因是通過指揮蛋白質(zhì)的合成控制生物性狀的，從而確立了“一個(gè)基因一個(gè)酶”的假說。

1953年，美國(guó)生化學(xué)家沃森和英國(guó)物理學(xué)家克里克用X衍射的方法，在電鏡下發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這是基因工程發(fā)展史上具有里程碑意義的事件，因?yàn)樗於嘶蚬こ痰幕A(chǔ)。到1969年， 科學(xué)家成功分離出第一個(gè)基因，此后基因工程走上了快車道。

1980年，美國(guó)科學(xué)家把大鼠的生長(zhǎng)激素基因組成質(zhì)粒，注射到小鼠的受精卵里，再把受精卵移植到借腹懷胎的雌鼠體內(nèi)，生下來的小鼠平均生長(zhǎng)速度要比普通小鼠快50%。1983年，科學(xué)家首次培育出世界上第一個(gè)轉(zhuǎn)基因植物——轉(zhuǎn)基因煙草。1996年，第一只克隆羊多莉誕生。1998年12月，一種小線蟲完整基因組序列的測(cè)定工作宣告完成，這是科學(xué)家第一次繪制出多細(xì)胞動(dòng)物的基因組圖譜。

1999年9月，中國(guó)獲準(zhǔn)加入人類基因組計(jì)劃，負(fù)責(zé)測(cè)定人類基因組全部序列的1%。中國(guó)是繼美、英、日、德、法之后第6個(gè)國(guó)際人類基因組計(jì)劃參與國(guó)，也是參與這一計(jì)劃的唯一的發(fā)展中國(guó)家。2006年6月26日，科學(xué)家公布人類基因組工作草圖，標(biāo)志著人類在解讀自身“生命之書”的路上邁出了重要一步。

編寫基因百科全書

自1953年沃森和克里克闡明DNA雙螺旋分子結(jié)構(gòu)以來，科學(xué)家為弄清遺傳的秘密進(jìn)行了不懈的努力，但由于物理和化學(xué)技術(shù)的滯后，基因研究在20世紀(jì)90年代之前進(jìn)展不大。隨著檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和信息技術(shù)的應(yīng)用，各種基因擴(kuò)增與分析儀紛紛問世，人類探測(cè)基因秘密的速度大大加快。1993年，由美國(guó)國(guó)家能源部、科學(xué)院和國(guó)立衛(wèi)生研究院發(fā)起，組織了破譯人類30億個(gè)堿基對(duì)的工程——人類基因組計(jì)劃。以美國(guó)國(guó)家人類基因組研究所所長(zhǎng)柯斯林和塞萊拉基因組公司董事長(zhǎng)溫特為首，聯(lián)合了美、英、德、日、法、中6個(gè)國(guó)家的1000多名科學(xué)家，經(jīng)過7年的努力，耗資數(shù)億美元，終于在2000年完成了人類基因組草圖的繪制。2001年2月，又完成了基因組圖譜的修訂，公布了新版本，說明人類的基因總數(shù)在3.2萬個(gè)左右，現(xiàn)在已經(jīng)鑒定出2.2萬個(gè)，雖然比名為擬南芥的植物的2.5萬個(gè)基因多不了多少，但人類基因組仍是生物界最大的基因組。

弄清人類的遺傳秘密，一直是科學(xué)家的理想。通過國(guó)際合作完成的人類基因組圖，第一次向人們公布了23對(duì)染色體上的基因數(shù)目、正確位置和基因的結(jié)構(gòu)，人類從此有了一本生命的說明書。人類的性狀和一切生理及心理活動(dòng)都有它的基因基礎(chǔ)。為什么歌唱家的歌聲那么動(dòng)聽，而有的人卻五音不全？為什么你35歲就開始謝頂，而同齡的朋友卻滿頭秀發(fā)？為什么他會(huì)在45歲時(shí)得癌癥，而不是在50歲？均能從“基因百科全書”上找到答案。有了基因圖譜，當(dāng)個(gè)體患某種遺傳性疾病時(shí)，醫(yī)生就可以用儀器對(duì)著圖譜“按圖索驥”，很快找到病根，對(duì)癥治療；用個(gè)體的基因圖譜與標(biāo)準(zhǔn)版本對(duì)照，可以預(yù)測(cè)健康狀況，及早做好預(yù)防工作，提高生活質(zhì)量；制藥公司也可以根據(jù)一個(gè)特殊基因，開發(fā)研制出價(jià)值億萬的新藥。

發(fā)展無窮期

目前基因工程技術(shù)仍處于研究發(fā)展階段，培育出來的生物仍是我們熟悉的生物，基因治療也局限于少數(shù)病例。21世紀(jì)是基因工程技術(shù)蓬勃發(fā)展的時(shí)代，基因工程的興起是生物學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果，盡管基因工程的隱憂及爭(zhēng)論不斷，但它給人類帶來的好處是顯而易見的。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，基因工程的安全性將會(huì)得到保證，培育多功能營(yíng)養(yǎng)的轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物品種，治愈人類基因病等夢(mèng)想終有一天會(huì)實(shí)現(xiàn)。